本文關(guān)鍵詞：鋁合金薄板焊接變形的高精度預(yù)測方法研究

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【摘要】：輕量化的需求使得鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件得到了廣泛的應(yīng)用,但由于鋁合金熱膨脹系數(shù)大、熱傳導(dǎo)率高、彈性模量小以及高溫屈服強(qiáng)度低的特點(diǎn),使得鋁合金結(jié)構(gòu)件的焊接變形通常較大,特別是鋁合金薄板結(jié)構(gòu)件的焊接變形更大,且產(chǎn)生焊接變形的同時(shí)往往還伴隨有殘余應(yīng)力的存在,這大大降低了鋁合金焊接結(jié)構(gòu)的裝配精度以及服役壽命。因此弄清焊接殘余應(yīng)力和焊接變形的成型機(jī)理,進(jìn)而精確預(yù)測并通過一定措施減小殘余應(yīng)力和焊接變形具有重要意義。近年來,隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的不斷升級換代以及與焊接相關(guān)有限元理論的日臻完善使得數(shù)值模擬技術(shù)在焊接變形及殘余應(yīng)力預(yù)測等方面得到了廣泛的應(yīng)用。但是,目前焊接數(shù)值模擬也存在計(jì)算效率低、計(jì)算精度不高的問題,尤其是計(jì)算精度不高的問題導(dǎo)致數(shù)值模擬計(jì)算得到的結(jié)果直接用于指導(dǎo)實(shí)際焊接結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)還存在極大的問題,這嚴(yán)重制約了焊接數(shù)值模擬技術(shù)在工程上更廣泛的應(yīng)用。因此,提高焊接數(shù)值模擬的計(jì)算效率和計(jì)算精度是目前亟待解決的關(guān)鍵問題。焊接過程所包含的復(fù)雜熱力學(xué)行為是一個(gè)強(qiáng)非線性問題,剛度矩陣方程奇異性大,加上三維模型的使用,使得整個(gè)計(jì)算量非常龐大且收斂困難計(jì)算效率低,針對這一問題,本文從收斂準(zhǔn)則的角度,定量分析了鋁合金薄板焊接變形預(yù)測時(shí),收斂準(zhǔn)則對于焊接熱-彈-塑性有限元計(jì)算精度及計(jì)算時(shí)間的影響。結(jié)果表明:收斂準(zhǔn)則的改變對于變形計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間都會(huì)產(chǎn)生影響,在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí),可以通過適當(dāng)放松收斂準(zhǔn)則的方法節(jié)省計(jì)算的時(shí)間,保證計(jì)算精度的同時(shí)有效地提高計(jì)算效率。在以上研究的基礎(chǔ)上,針對計(jì)算精度不高的問題,本文對鋁合金焊接接頭焊后普遍存在的軟化問題進(jìn)行了研究,提出一種新型材料模型來模擬鋁合金薄板焊縫及熱影響區(qū)的軟化現(xiàn)象,并開發(fā)了綜合考慮幾何非線性和材料非線性的有限元數(shù)值計(jì)算方法來模擬鋁合金薄板的殘余應(yīng)力和焊接變形。同時(shí)采用實(shí)驗(yàn)方法測量了鋁合金薄板的焊接變形,通過比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果,發(fā)現(xiàn)考慮軟化后模擬變形結(jié)果更加接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證了考慮軟化現(xiàn)象的材料模型的有效性。結(jié)果表明:接頭軟化現(xiàn)象對鋁合金焊接接頭的殘余應(yīng)力分布產(chǎn)生較大影響,其中對縱向應(yīng)力的影響比對橫向應(yīng)力的影響更大,尤其是在焊縫及熱影響區(qū)考慮接頭軟化和不考慮接頭軟化,得到的縱向殘余應(yīng)力和橫向殘余應(yīng)力分布差異較大;軟化模型的使用使得鋁合金薄板在焊后產(chǎn)生的縱向收縮、橫向收縮以及角變形均有所減小,但從總體變化量來說,接頭軟化對焊接變形的影響不大。
【關(guān)鍵詞】：鋁合金薄板 焊接數(shù)值模擬 高精度計(jì)算 高效計(jì)算 應(yīng)力變形
【學(xué)位授予單位】：重慶交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG404
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 緒論9-17
• 1.1 研究背景及意義9-11
• 1.1.1 研究背景9
• 1.1.2 研究意義9-11
• 1.2 焊接數(shù)值模擬高精高效計(jì)算的研究現(xiàn)狀11-14
• 1.2.1 焊接溫度場的高精高效計(jì)算研究現(xiàn)狀11-12
• 1.2.2 焊接應(yīng)力變形場的高精高效計(jì)算的研究現(xiàn)狀12-14
• 1.3 本文的主要研究內(nèi)容14-16
• 1.4 本章小結(jié)16-17
• 第二章 焊接數(shù)值模擬的有限元分析理論17-27
• 2.1 有限元方法17
• 2.2 焊接數(shù)值分析的簡化17-18
• 2.3 焊接溫度場的有限元分析理論18-21
• 2.3.1 焊接傳熱的基本形式18-19
• 2.3.2 焊接熱過程的有限元基本方程19-20
• 2.3.3 非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)的有限元分析20-21
• 2.4 焊接熱-彈-塑性有限元分析理論21-26
• 2.4.1 熱-彈-塑性分析的特點(diǎn)和假定21-24
• 2.4.2 熱-彈-塑性有限元分析24-26
• 2.5 本章小結(jié)26-27
• 第三章 模擬過程相關(guān)定義27-33
• 3.1 材料模型27-28
• 3.2 熱源模型28-30
• 3.3 初值條件和熱邊界條件30-31
• 3.4 本章小結(jié)31-33
• 第四章 收斂準(zhǔn)則對于焊接數(shù)值模擬計(jì)算的影響研究33-45
• 4.1 熱-彈-塑性有限元分析算例33-36
• 4.1.1 牛頓迭代法34
• 4.1.2 網(wǎng)格劃分和約束條件設(shè)定34-35
• 4.1.3 試驗(yàn)方案的設(shè)定35-36
• 4.2 計(jì)算結(jié)果及分析36-44
• 4.2.1. 溫度場36-39
• 4.2.2. 變形場39-41
• 4.2.3 應(yīng)力場41-43
• 4.2.4 計(jì)算時(shí)間分析43-44
• 4.3 本章小結(jié)44-45
• 第五章 鋁合金薄板TIG重熔實(shí)驗(yàn)45-49
• 5.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图皩?shí)驗(yàn)條件45-46
• 5.1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/span>45-46
• 5.1.2 實(shí)驗(yàn)條件46
• 5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理46-48
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果46-47
• 5.2.2 數(shù)據(jù)處理47-48
• 5.3 本章小結(jié)48-49
• 第六章 焊接數(shù)值模擬高精度計(jì)算研究49-63
• 6.1 焊接接頭軟化現(xiàn)象49-50
• 6.2 鋁合金熱-彈-塑性有限元計(jì)算50-52
• 6.2.1 軟化材料模型的建立51
• 6.2.2 軟化區(qū)域?qū)挾鹊倪x擇51-52
• 6.3 計(jì)算結(jié)果與分析52-61
• 6.3.1 溫度場52-53
• 6.3.2 應(yīng)力場53-59
• 6.3.3 變形場59-61
• 6.4 本章小結(jié)61-63
• 第七章 總結(jié)與展望63-65
• 7.1 全文總結(jié)63-64
• 7.2 前景展望64-65
• 致謝65-67
• 參考文獻(xiàn)67-73
• 攻讀學(xué)位期間取得的研究成果73

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：970388